基于无线传感器网络的气象信息实时监测系统.pdf
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1、信息技术XINXIJISHU2023年第1 0 期基于无线传感器网络的气象信息实时监测系统关磊(梁山县气象局,山东济宁2 7 2 6 0 0)摘要:为了实时、精准监测气象信息,设计了一种基于无线传感器网络的气象信息实时监测系统。首先感知并采集各项气象信息,在信息存储、转换以及控制等处理完成后,再传输至无线传感器网络通信模块,利用传感器网络节点无线通信协议将采集的气象信息传输到上位机中,实时、可视化显示出当前气象状态监测结果。实验结果表明:该系统采集气象信息时的CPU占有率区间为0.3 0.4,网络流速区间为6 0 0 0 Kb/s7 0 0 0 K b/s,资源占有率较小且鲁棒性较好,可以实时
2、、有效监测气象信息,信息处理效率较高。关键词:无线传感器;气象信息;实时监测;数据挖掘中图分类号:TP399D0I:10.13274/ki.hdzj.2023.10.031Real-time monitoring system of meteorological information based on wireless sensor networkGUAN Lei(Liangshan County Meteorological Bureau,Jining 272600,Shandong Province,China)Abstract:In order to monitor meteorolo
3、gical information in real time and accurately,a real-time meteoro-logical information monitoring system based on wireless sensor network is designed.Firstly,the meteorologi-cal information is sensed and collected.After the information storage,conversion and control are comple-ted,it is transmitted t
4、o the wireless sensor network communication module.The collected meteorological in-formation is transmitted to the host computer by using the wireless communication protocol of the sensor net-work node,and the current meteorological state monitoring results are displayed in real time and visually.Th
5、e experiment results show that the CPU occupancy range of the system when collecting meteorological in-formation is 0.3 0.4,and the network flow rate range is 6000Kb/s 7000Kb/s.The resource occupancyis small and the robustness is good.It can monitor meteorological information in real time and effect
6、ively,and the information processing efficiency is high.Key words:wireless sensor;meteorological information;real-time monitoring;data mining0 引 言气象信息是对天气进行呈现的信息,其主要分为气候与天气两方面的数据。气候信息主要是指通过各种气象仪器、观测站等监测并处理各种初始气候资料,跟随气候的时代变化,其内涵逐渐延伸至与整体气候系统相关的信息。天气信息是作者简介:关磊(1 98 2),男,硕士,工程师,研究方向为气象观测、气象服务。一1 6 8 一文献
7、标识码:A文章编号:1 0 0 9-2 552(2 0 2 3)1 0-0 1 6 8-0 6具有强实时性天气探究与预测的气象资料,其与气候信息的差异主要体现在天气信息可在时间推进下转变成气候信息,气候信息是一种长时间的信息并且其涵盖天气信息1-3 。由于气象信息在日常生活中的重要性逐渐提升,合理、精准、实时化的气象信息监测可为农业、航空航天等多种领域提供数据支撑,许多相关领域学者对此展开大量研究,如赵小强等人在Modbus协议的基础上速是指地表风速度,系统应用EC-9S(X)一体化基于无线传感器网络的气象信息实时监测系统一设计了一个气象信息监测站4 ,项煜等人采用双流程将采集的这些气象信息传
8、输到上位机中进行路神经网络融合模型实现气象检测5,但是这些分析与显示,可视化呈现出当前环境气象。监测方法较为局限,不能广泛应用。1.2微处理器无线传感器网络(WirelessSensorNetworks,STC11F60XE单片机具有高集成、多功能、低WSN)可通过无线传感器网络监测降水量、空气功耗等特点,作为一款1 6 位单片机,其内部信号湿润度以及水位等情况可实现类似山洪暴发等情控制器功耗极低、片内外设多、工作模式节省资况的预测,实现生态多样性的呈现6 。基于此,源,可有效为C语言程序的构设提供有力支撑,本文设计一种基于无线传感器网络的气象信息实系统应用STC11F60XE单片机,主要功能
9、包括:时监测系统,以期为后续工作管理提供数据支持。控制气象信息接收发送,实现工作管理与信息1基于无线传感器网络的气象信息实时监测系传输;控制传感器采集气象信息并展开温度、湿统设计度、降雨量等检测7-8 ;气象信息预处理,清晰1.1系统总体结构过滤信息,降低网络传输负载与数据封装;响应基于无线传感器网络的气象信息实时监测系上位机监测中心搜索,实现气象信息存发;保护统总体结构,如图1 所示。区域内的节点路由;控制节点电源,通过调整电源待机状态降低能量损耗,令节点寿命增长。上位机1.3传感器系统的上位机可与数十个串口相连,各串口无线传感器网络通信模块下接近3 0 0 个数传模块,各数传模块可接1 0
10、 0 个传感器。在总线内随机部署一个中继器,分别获SPI接口取分支器与当前数传模块以及传感器的最长距离。图2 描述了实时采集当前环境温度、湿度、风串口扩展USBUSBSTC11F60XE微处理器串口串口数据处理模块温度传感器湿度传感器图1 气象信息实时监测系统的硬件框图系统通过部署在现场环境的温度、湿度以及风速等传感器分别采集温度、湿度以及风速等气象信息,这些气象信息通过数据处理模块处理后,通过串口进人STC11F60XE单片机,展开信息存储、转换以及控制等一系列处理,然后经由 SPI接口反馈至无线传感器网络通信模块,利用该通信模块的无线通信协议、传感器网络节点以及通信充一关磊芯片速等气象信息
11、的原理。温度与湿度的测量应用SHT11温湿度一体化传感器,该传感器可通过串行传送数字信号至微控制器,利用协议转换所输MMC/SD储存卡风速传感器气压传感器器出的数字信号便可获取现场环境的温湿度9。降水量强度是指某时段内不存在水分损失的降水,降水量是指水平面上的积水,系统选用翻斗式雨量计,以降雨进入翻斗后的干簧管通断次数为脉冲输出,获取降雨量大小并输出传感器1 0 。风降雨传感其他传感器器风速风向传感器,该传感器的主要元件为三杯式风杯组件,通过风吹转动风杯,其同轴光电转换码盘随之而动,利用内部光电转换电路转换风速信号获取脉冲输出,依据对应函数式得到风速 。O1.4数据处理模块数据处理模块应用基于
12、模糊C均值聚类(FCM)的数据挖掘算法实现气象信息的聚类处理。令x;(i=1,2,n)为n个气象信息向量的描述式,利用FCM算法划分其得到F个模糊簇,计算获取各簇聚类中心,获取最小目标函数,l一1 6 9 一基于无线传感器网络的气象信息实时监测系统一关磊上位机转换器总线数传模块可接3 0 0 个可接1 0 个分支器可接1 0 个传感器图2 气象信息采集原理w+80,得到其定义为:J.(u,u)=其中,w代表模糊权重指数,uik=1,Vk,d(xx,U,)=Il x-v;ll 2,ui E(0,1)。以获取气象信息的目标函数最小值为目标,更新聚类中心和隶属度,得到公式:uik开始输人簇数量和值数
13、传模块使用公式(1)定义目标函数可接1 0 个分支器可接1 0 个传感器(uik)d(xk,u.)使用公式(2)更新聚类中心使用公式(3)计算最小目标函数N(1)系统管理(2)Il Vi+i_VilI0。Step2:利用当前聚类中心V结合公式(3)获取当前隶属度矩阵U;通过U结合公式(2)获取下一聚类中心v+112。重复上述步骤,在v+1-l的情况下停止计算,其中d为当前送代次数。1.5上位机程序的设计通过上位机可实时呈现气象信息监测中心界面,符合所有功能需求,可呈现所有采集的气象信息,具有信息查询、导出、分析等功能,能够将简洁一1 7 0 一气象信息采集气象信息处理气象信息保存信息查询信息分
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